[发明专利]一种低负极膨胀、长循环的锂离子电池制备方法及锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种低负极膨胀、长循环的锂离子电池制备方法及锂离子电池。该锂离子电池制备方法通过在负极片制备过程中采用逐级提高压实密度并在每次提高压实密度后静置再继续提高压实密度的方式进行碾压，有利于为负极颗粒在锂化反应过程中的可逆膨胀提供更多的缓冲空间，从而减少不可逆膨胀的发生；通过在电池化成过程中采用逐级提高压力的方式进行首次充电，有利于隔膜与正负极片之间形成平整且紧密的界面，并减小锂化反应过程中负极体积的膨胀。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种低负极膨胀、长循环的锂离子电池制备方法及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池发展至今已经成为新能源领域应用最为广泛的储能方式之一。但无论是便携式电子设备，还是新能源汽车，或者大规模储能等应用场景，对于锂离子电池的能量密度、长循环性能以及安全性等方面始终有着更高的期待。因此，由传统石墨负极体系向新型硅基负极体系的探索与发展也成为当前学术界和产业界的主流趋势之一。然而，硅基负极虽然有着远超石墨的克容量发挥，但与此同时区别于石墨与锂离子嵌入式反应的硅锂合金反应也产生了约30倍于石墨的体积膨胀效应。巨大的体积膨胀不仅容易导致硅基负极本身的容量衰减和降低循环性能，同时对于实际应用过程中电芯尺寸乃至模组pack的机械设计也会带来极大的困难。基于以上原因，目前硅基负极的产业化应用尤其是动力电池上通常是以较小的占比(＜30％)与石墨进行掺混从而使用，即便如此，硅基负极的膨胀问题依然需要有效的控制。

硅基负极在整个电池生命周期中的膨胀可分为可逆膨胀与不可逆膨胀，其中可逆膨胀指硅基材料与锂离子合金化/去合金化可逆反应所产生的膨胀；不可逆膨胀包括负极SEI的形成与生长、材料粉化与脱落或其它原因导致的活性锂无法脱出等。

目前，在产业化上针对硅基负极膨胀解决方案主要有：(1)负极材料层面：优化石墨与硅基材料的粒径分布与颗粒取向从而使极片具备较高的孔隙率与各向异性；优化颗粒表面碳包覆层，提供更好的支撑作用；针对特殊结构形貌如多孔、纳米线/管阵列、核壳等新型硅基材料进行开发，减小颗粒自身的膨胀；(2)粘结剂层面：开发自身溶胀率较低且能够与硅基负极表面形成强键合作用的新型粘结剂，抑制硅基负极的膨胀率；(3)工艺层面：电池模组制作时一方面预留部分膨胀空间，另一方面采用强度较高的外壳对电池膨胀进行抑制。

然而，上述三种解决方案存在以下缺陷：(1)负极材料层面：材料的研发在当前产业化进程中进入了瓶颈期，一方面学术界发表的诸多性能优异的新型硅基材料多数难以实现大规模量产，另一方面可量产的材料研发周期较长难以适应电芯项目进度；(2)粘结剂层面：针对于硅基负极的粘结剂相关机理目前仍处于研究阶段，市场上能够有效抑制硅体积膨胀的PAA类粘结剂种类较少且成本较高；(3)工艺层面：模组预留空间与高强度外壳设计实际上是对于电池膨胀的妥协，事实上更加紧凑的模组与普通外壳对于能量密度提升和降低成本反而更有利。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低负极膨胀、长循环的锂离子电池制备方法及锂离子电池。本发明通过改善负极碾压和化成过程，能有效抑制负极在锂离子电池制备以及后续使用过程中的膨胀，提高锂离子电池的循环性能，且成本低、易于产业化。

本发明的具体技术方案为：

一种低负极膨胀、长循环的锂离子电池制备方法，其在负极片制备的碾压过程中，逐级提高压实密度，并在每次提高压实密度后静置再继续提高压实密度；在电池化成过程中采用逐级提高压力的方式进行首次充电。

发明人在试验过程中发现：(1)负极极片碾压过程中所形成的极片内部的内应力释放是膨胀的重要组成部分之一，其具体表现在碾压后的负极静置期间存在极片反弹，这正是极片内部应力释放的原因，而通常内应力的释放会持续到电池循环期间进而影响负极材料本身的膨胀；(2)硅基负极体系电池在传统固定夹具化成首次充电时，随着SEI的生成与SOC的升高，其体积膨胀与产生的压力并非是线性增长的，并且，不同夹具压力下电池体积膨胀存在差异。